청색광 효율높인 페로브스카이트 LED 개발...OLED 대신 'PeLED' TV 시대

국내 연구팀이 디스플레이 차세대 발광물질로 페로브스카이트의 상용화의 걸림돌이던 청색광 구현 문제를 해결한 페로브스카이트 발광소자를 개발했다.

디스플레이 소자는 LCD를 거쳐 현재는 OLED가 최신 디스플레이 소자로 알려져있지만 천연색을 그대로 구현하기 위한 차세대 물질은 '페로브스카이트'가 주목받고 있다. 

러시아 과학자인 '페로브스키'가 발견한 광물의 결정구조인 페로브스카이트는 기본적으로 유기 분자, 금속 및 할로겐 원소로 구성되며 일반적으로 3차원 구조의 격자 배열을 가지는 반도체 소재이다.

2014년부터 디스플레이 발광물질로 페로브스카이트 연구가 시작된 이후 그 효율은 OLED 수준으로 끌어올렸지만 상용화를 위해서는 아직 청색광 효율이 낮은 문제를 해결해야 한다. 

울산과학기술원(UNIST) 송명훈, 곽상규 교수팀과 고려대학교 화학과 우한영 교수 연구팀이 공동으로 청색광을 발산하는 페로브스카이트 발광소자(Perovskite LEDs, 이하 PeLED)를 개발했다고 13일 밝혔다. 

연구팀에 따르면 이번에 개발한 페로브스카이트 발광소자는 청색광을 만드는 효율이 기존 대비 3배 이상 높고, 색 순도가 높아 또렷한 푸른색의 구현이 가능하다.  

발광소자는 TV나 휴대폰에서 색상을 구현하는 장치이며 PeLED는 색상 구현 물질로 페로브스카이트를 사용한다. 

페로브스카이트는 이온을 품고 있는 물질로 이온 종류를 바꾸는 방식으로 여러가지 다양한 색상을 만들 수 있는데, 다른 발광 소재들에 비해 생산 단가가 낮고 자연에 가까운 천연색을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 소재로 크게 주목받고 있다. 

그러나 청색 PeLED는 전기에너지를 빛으로 바꾸는 효율이 10%밖에 되지 않아 전력소모가 많고 빨강이나 녹색의 절반에도 못 미친다. 또한 청색 PeLED를 구현하기 위해 첨가하는 이온 때문에 색 순도가 시간이 지나면서 떨어지는 문제가 있어 또렷한 청색이 아닌 다른 색상이 섞여 나온다고 한다. 

이번 연구에서는 페브스카이트 물질을 복잡하게 조작하는 방식이 아닌 발광 소자 내에서 페로브스카이트와 인접한 '정공수송층' 물질을 바꾸는 획기적인 방법을 사용했다. 

또한 페로브스카이트 소자를 만들 때 공정이 단순해지고 비용적인 측면도 유리해진다는게 연구진의 설명이다.

정공 수송층을 기존 PeLED 소자에 쓰이는 전도성 고분자를 대신해 '공액 고분자 전해질'로 사용해 페로브스카이트 입체 구조의 결정성이 좋아지고 계면에서 결함이 줄어 발광소자가 전기를 빛으로 바꾸는 효율이 크게 향상됐다. 

또한 연구진은 공액 고분자 전해질을 구성하는 곁가지 이온의 크기가 클수록 페로브스카이트 물질이 뚜렷한 결정성을 갖고 계면에 결함이 적은 것을 확인했다고 설명했다. 

UNIST 송명훈 교수는 "PeLED는 6년이라는 짧은 시간 동안 OLED 수준의 효율을 구현했지만 청색광 효율이 10% 수준이었다"며 "이번 연구를 통해 소자 효율과 색 순도 문제가 함께 개선돼 상요화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다. 

해당 연구는 나노 분야 세계적 권위지 ACS Nano 9월 10일자로 논문명 'Sky-Blue-Emissive Perovskite Light-Emitting Diodes: Crystal Growth and Interfacial Control Using Conjugated Polyelectrolytes as a Hole-Transporting Layer'로 온라인 공개됐다.  

포인트경제 김민철 기자